CN106530892B - 模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器及飞行模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器及飞行模拟方法，涉及飞行模拟技术领域。飞行模拟器，包括：六自由度平台与设于所述平台上的模拟驾驶室，所述模拟驾驶室，包括：主控计算机的控制系统，运动系统三维场景系统，音响系统和交互式界面模块。本发明还涉及模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟方法，包括建造虚拟三维场景和构建模拟飞行驾驶系统；模拟飞行时外部视景显示模拟机姿态有关的座舱外真实世界景象，为飞行员提供飞行所需的飞行视觉环境和信息，结合运动系统的体感实现和音响系统的听觉模拟，营造高度逼真的虚拟飞行环境，体验更为自然，虚拟效果更加完美，具有创新性，自由性和娱乐性。

Description

模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器及飞行模拟方法

技术领域

本发明涉及飞行模拟技术领域，特别是指一种模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器及飞行模拟方法。

背景技术

飞行模拟是一种将真实世界信息和虚拟世界信息与飞行模拟器无缝集成的新技术，是令原本在现实飞行模拟器的一定时间空间范围内，体验到的外界巨大模拟信息的技术。

为使三维场景与飞行模拟器结合的更为自然，现有技术提供了多种方案，然而由于系统运行效率和交互真实感之间存在矛盾：三维场景真实感渲染要求很高的计算量，如果要求保证实时性，就会减少人机交互的处理时间，导致这些技术方案要么只关注三维场景的真实感仿真，忽略了操作人员与系统的自然准确交互；要么只关注操作上的准确性，缺乏真实的虚拟效果。

发明内容

本发明提出一种模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器及飞行模拟方法，解决了现有技术中三维场景的真实感与人机交互的准确性无法兼顾的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，包括：六自由度平台与设于所述平台上的模拟驾驶室，所述模拟驾驶室，包括：主控计算机的控制系统，用于控制模拟飞行时参数，控制各系统的工作；运动系统，用于从所述控制系统接受指令，指示所述平台运动；三维场景系统，用于实时显示模拟飞行时与模拟机姿态有关的座舱外真实世界景象；音响系统，用于制造听觉模拟；交互式界面模块，用于在飞行模拟器中集成操作运动系统的控制界面，并反馈传感器实时模拟的大气流颠簸。

本发明还涉及模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟方法，包括建造虚拟三维场景和构建模拟飞行驾驶系统；所述建造虚拟三维场景包括以下步骤：S1、根据对实景的分析，对环境中各因素进行组合造型，并统一拾取优化模型，建造虚拟三维场景，所述虚拟三维场景包括：大地模型、大气环境模型、道路模型和建筑物模型；S2、根据现实数据按比例生成创建三维模型的坐标数据和尺寸数据；采用图像建模法获得所需要的纹理数据；通过上述数据建造建筑物模型和道路模型；S3、对于大地模型，采用基于地形块的静态多分辨率LOD算法，为地形块建立多个LOD层次，每个层次分别建立多网格的模型；对于大气环境模型，采用几何体渲染与图像渲染相结合手段进行建模；所述构建模拟飞行驾驶系统包括以下步骤：S4、所述虚拟三维场景建模完成之后，系统接受消息响应函数，并将视点、视线世界坐标参数作为消息响应函数中的变量参数，通过模拟控制自由漫游，观察模拟飞行的效果，输出数据，最后写入计算机并保存。

本发明的有益效果为：

本发明中模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器及飞行模拟方法，虚拟大规模场景，结合地形模型的特点，使用有效视锥裁减的LOD算法处理地景几何体模型及其相应纹理，实现场景实时可视化；构建了系统的人机交互界面系统，交互式界面中使用菜单栏保存数据，选择特效，主视图显示模拟飞行主要场景，并在左下角输出飞机飞行(包括高度变换、俯仰角及侧翻角)实时数；且实现了六自由度飞行模拟平台与三维场景的人机互动，实现了模拟飞行平台的运动控制；模拟飞行时外部视景显示模拟机姿态有关的座舱外真实世界景象，为飞行员提供飞行所需的飞行视觉环境和信息，结合运动系统的体感实现和音响系统的听觉模拟，营造高度逼真的虚拟飞行环境，体验更为自然，虚拟效果更加完美，具有创新性，自由性和娱乐性。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例中的模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，包括：六自由度平台与设于所述平台上的模拟驾驶室，其特征在于，所述模拟驾驶室，包括：控制系统、运动系统、三维场景系统、音响系统和交互式界面模块；其中，包括主控计算机的控制系统，用于控制模拟飞行时参数，控制各系统的工作；运动系统用于从所述控制系统接受指令，指示所述平台运动；三维场景系统用于实时显示模拟飞行时与模拟机姿态有关的座舱外真实世界景象；音响系统用于制造听觉模拟；交互式界面模块，。用于在飞行模拟器中集成操作运动系统的控制界面，并反馈传感器实时模拟的大气流颠簸。

实施例中交互式界面中使用菜单栏保存数据，选择特效，主视图显示模拟飞行主要场景，并在左下角输出飞机飞行(包括高度变换、俯仰角及侧翻角)实时数。交互界面允许用户看到屏幕上显示的场景，允许用户通过模拟飞行台，模拟摇杆，信号按钮等，实现用户在场景中任何地点通过任何角度进行观察，形象直观地展示场景，达到可视化的目的。本发明向前推操纵杆为前进，向后推为后退，向左向右推分别为左移，右移视点，其余按钮分别设置加速，降落，起飞，反转等满足不同场合的不同功能。

实施例中控制系统包括：初始化模块、通信模块、数据处理模块和运动分解模块，初始化模块用于将所述平台的位置全部回到零点位置，使运动控制卡完成初始化；通信模块用于完成所述控制系统与所述平台之间的通信；数据处理模块用于对所获得的场景参数进行分析，通过计算转换成所述平台的具体动作数据；运动分解模块用于根据所述平台的具体动作数据，把具体动作分解成驱动所述平台动作的电动缸各自的伺服运动，通过运动控制卡实现所述平台的运动。本实施例中所述平台的具体动作包括上升、降落、侧翻和俯仰。

实施例中控制系统还包括：安全保护模块，用于对所述平台的预期升降进行软限位，实时判断用于驱动所述平台运动的电动缸的位置和速度。同时电动缸自身也存在着硬限位，响应“急停”输入，实现对电动缸的保护。

实施例中所述控制系统能以一定的频率发送指令，所述运动系统根据所述指令动态响应场景中的飞机姿态，所述平台每响应一条所述指令的时间等于两条所述指令之间的时间间隔。为使所述平台的动作响应与场景画面保持较短的滞纳性，采用高精度机械结构提高反应速度，采用贴图技术节约场景渲染绘制时间。

实施例中六自由度传感平台，采用六个完全相同的液压伺服缸驱动一个运动平台(座舱)，液压缸的下端用关节轴承与基座相连，三个连接点构成一个外接圆半径为R的等边三角形；液压缸的上端用关节轴承与平台相连，三个连接点构成一个外接圆半径为r的等边三角形。在液压缸驱动下，平台能完成六个自由度方向的运动：即x，y，z三个方向的线运动以及俯仰、滚传、偏航三个角运动；六个液压缸均伸出一半时平台位置定义为中性面位置，此时由上、下各连接点组成的上、下两个等边三角形方位相差为60度，平台中性而高度为H；求解了平台在不同位置时各液压缸的伸出长度，通过该长度控制各液压缸活塞位移来精确地控制平台的位置；确定平台对这些位移信号的响应以及平台的位置精度；建立六自由度飞行模拟台时，模拟台采用液压驱动方式，同时配合计算机控制模块，实时模拟。

建立机械模拟台应从模拟台的本体结构着手，包含如下因素：

建立平台，包括了主体框，以及连接在主框体四周的左侧边框、右侧边框、前球幕支撑、后尾舱框架，支撑连接在主框体内的支撑架及座舱支撑架，连接在主框体外侧及底部的裙板和底盖；

在运动模拟台的工作空间避免机械机构干涉，包括相邻分支间的干涉，支与铰支座间的干涉；

在满足设计指标的前提下，尽量提高动平台有效工作空间和运动系统体积的比例，这样可以缩小运动系统的外观尺寸，降低经济成本，同时也可相对提高运动系统的刚度；

在动、静平台的铰点分布形式上，模拟台趋向于3-3(左右平衡)结构，这对与提高模拟台的运动精度，尤其对提高动平台的姿态实现能力极其重要；

运用平均灵巧度作为性能指标进行平台结构的优化设计，以此确定运动系统的关键尺寸参数；

上下铰支座关节处非线性摩擦力与间隙将会对系统运动性能产生较大影响，且铰链摆角与刚度限制模拟台运动空间和承载能力，采用低摩擦、大摆角、无间隙和小间隙的关节铰链。

本发明还涉及一种基于上述模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器的飞行模拟方法，包括建造虚拟三维场景和构建模拟飞行驾驶系统；

所述建造虚拟三维场景包括以下步骤：

S1、根据对实景的分析，对环境中各因素进行组合造型，并统一拾取优化模型，建造虚拟三维场景，所述虚拟三维场景包括：大地模型、大气环境模型、道路模型和建筑物模型；

S2、根据现实数据按比例生成创建三维模型的坐标数据和尺寸数据；采用图像建模法获得所需要的纹理数据；通过上述数据建造建筑物模型和道路模型；

S3、对于大地模型，采用基于地形块的静态多分辨率LOD算法，为地形块建立多个LOD层次，每个层次分别建立多网格的模型；对于大气环境模型，采用几何体渲染与图像渲染相结合手段进行建模；模拟诸如云，降水，闪电等不同等级能见度下的情况；此外，设置夜景模拟，包括机场和环境灯光，精确渲染模型；

所述构建模拟飞行驾驶系统包括以下步骤：

S4、所述虚拟三维场景建模完成之后，系统接受消息响应函数，并将视点、视线世界坐标参数作为消息响应函数中的变量参数，通过模拟控制自由漫游，观察模拟飞行的效果，输出数据，最后写入计算机并保存。

实施例中，步骤S2中，所述现实数据的获得包括：使用设计图纸资料、实地测量或者对建筑物拍照来获得图像；所述图像建模法包括：先使用相机进行拍摄，将图像进行切割，拼接，调整图像大小处理后，保存为图片，作为模型的贴图库。

本实施例的方法主要通过计算机及飞行模拟设备来实现；所述计算机设备包括网络设备和用户设备；所述网络设备包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算的由大量计算机或网络服务器构成的云，云计算是分布式计算的一种，由一群松散耦合的计算机集组成的一个超级虚拟计算机；所述用户设备包括但不限于PC机、平板电脑、智能手机、PDA、IPTV等；所述计算机设备所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、VPN网络等。

实施例中模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器及飞行模拟方法，虚拟大规模场景，结合地形模型的特点，使用有效视锥裁减的LOD算法处理地景几何体模型及其相应纹理，实现场景实时可视化；构建了系统的人机交互界面系统，交互式界面中使用菜单栏保存数据，选择特效，主视图显示模拟飞行主要场景，并在左下角输出飞机飞行(包括高度变换、俯仰角及侧翻角)实时数；且实现了六自由度飞行模拟平台与三维场景的人机互动，实现了模拟飞行平台的运动控制；模拟飞行时外部视景显示模拟机姿态有关的座舱外真实世界景象，为飞行员提供飞行所需的飞行视觉环境和信息，结合运动系统的体感实现和音响系统的听觉模拟，营造高度逼真的虚拟飞行环境，体验更为自然，虚拟效果更加完美，具有创新性，自由性和娱乐性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，包括：六自由度平台与设于所述平台上的模拟驾驶室，其特征在于，所述模拟驾驶室，包括：

主控计算机的控制系统，用于控制模拟飞行时参数，控制各系统的工作；

运动系统，用于从所述控制系统接受指令，指示所述平台运动；

三维场景系统，用于实时显示模拟飞行时与模拟机姿态有关的座舱外真实世界景象；

音响系统，用于制造听觉模拟；

交互式界面模块，用于在飞行模拟器中集成操作运动系统的控制界面，并反馈传感器实时模拟的大气流颠簸。

2.根据权利要求1所述的模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，其特征在于，所述控制系统包括：

初始化模块，用于将所述平台的位置全部回到零点位置，使运动控制卡完成初始化；

通信模块，用于完成所述控制系统与所述平台之间的通信；

数据处理模块，用于对所获得的场景参数进行分析，通过计算转换成所述平台的具体动作数据；

运动分解模块，用于根据所述平台的具体动作数据，把具体动作分解成驱动所述平台动作的电动缸各自的伺服运动，通过运动控制卡实现所述平台的运动。

3.根据权利要求2所述的模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，其特征在于，所述平台的具体动作包括上升、降落、侧翻和俯仰。

4.根据权利要求2所述的模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，其特征在于，所述控制系统还包括：安全保护模块，用于对所述平台的预期升降进行软限位，实时判断用于驱动所述平台运动的电动缸的位置和速度。

5.根据权利要求1或2所述的模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，其特征在于，所述控制系统能以一定的频率发送指令，所述运动系统根据所述指令动态响应场景中的飞机姿态，所述平台每响应一条所述指令的时间等于两条所述指令之间的时间间隔。

6.根据权利要求5所述的模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟器，其特征在于，所述平台的动作响应能与场景画面保持较短的滞纳性，采用高精度机械结构提高反应速度，采用贴图技术节约场景渲染绘制时间。

7.一种模拟三维场景六自由度传感的飞行模拟方法，其特征在于，包括建造虚拟三维场景和构建模拟飞行驾驶系统；

所述建造虚拟三维场景包括以下步骤：

S1、根据对实景的分析，对环境中各因素进行组合造型，并统一拾取优化模型，建造虚拟三维场景，所述虚拟三维场景包括：大地模型、大气环境模型、道路模型和建筑物模型；

S2、根据现实数据按比例生成创建三维模型的坐标数据和尺寸数据；采用图像建模法获得所需要的纹理数据；通过上述数据建造建筑物模型和道路模型；

S3、对于大地模型，采用基于地形块的静态多分辨率LOD算法，为地形块建立多个LOD层次，每个层次分别建立多网格的模型；对于大气环境模型，采用几何体渲染与图像渲染相结合手段进行建模；

所述构建模拟飞行驾驶系统包括以下步骤：

S4、所述虚拟三维场景建模完成之后，系统接受消息响应函数，并将视点、视线世界坐标参数作为消息响应函数中的变量参数，通过模拟控制自由漫游，观察模拟飞行的效果，输出数据，最后写入计算机并保存。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述现实数据的获得包括：使用设计图纸资料、实地测量或者对建筑物拍照来获得图像；所述图像建模法包括：先使用相机进行拍摄，将图像进行切割，拼接，调整图像大小处理后，保存为图片，作为模型的贴图库。